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Société vendredi 07 juillet 2006

Capter la lumière comme les végétaux

Olivier Dessibourg

Avec la fin annoncée pour la deuxième moitié du siècle des combustibles fossiles, l'attention se porte de plus en plus vers la technologie, d'où devraient venir des solutions tirant profit au mieux des énergies renouvelables. Et lorsque les scientifiques sont à court d'idées, ils se tournent volontiers vers leur «consultant» privilégié: la nature. Une nature que des milliards d'années d'évolution ont conduit à développer des méthodes de production d'énergie très efficaces. Parmi celles-ci: la photosynthèse, qu'utilisent les végétaux pour capter, convertir et exploiter l'énergie solaire (lire l'encadré).

S'en inspirant, des chimistes de l'Université de Genève sont parvenus à reproduire en laboratoire ce processus naturel, en utilisant des techniques simples et peu coûteuses. Ces recherches, fondamentales mais prometteuses, et publiées aujourd'hui dans la revue Science, permettent d'accéder d'un peu plus près encore à cet inépuisable réservoir d'énergie qu'est la lumière solaire.

Les cellules photovoltaïques en silicium, utilisées depuis des années, ont déjà été conçues pour récolter les particules de lumière (photons) afin de produire de l'électricité. Mais les matériaux nécessaires pour les fabriquer restent chers et spécifiques. Depuis peu, l'avènement des nanotechnologies rend davantage possible une approche «bottom-up» (trad.: par le bas). Les scientifiques cherchent ainsi à reconstruire, pièce par pièce, des systèmes qui généreraient de l'énergie par une photosynthèse artificielle.

De nombreux groupes de recherches travaillent sur des molécules organiques susceptibles de faire directement l'affaire. D'autres tentent de marier biologie et science des matériaux. Une équipe du MIT de Boston tire ainsi parti de fragments d'épinards, qu'ils ont «greffés» dans une puce électronique. Et au Japon, en 2004, a été créé un capteur solaire combinant une puce en silicium avec une bactérie, induisant une conversion d'énergie presque parfaite.

A l'Université de Genève, Sheshanath Bhosale, Stefan Matile et leurs collègues suivent une autre piste. «Nous créons des briques de base photosensibles, appelés chromophores. Simples, plus compactes que la chlorophyle, leur équivalent naturel, et semi-conductrices, ces molécules sont synthétisées facilement, explique le professeur Matile. De plus, nous pouvons les coloriser à souhait.» Par souci d'esthétisme? «Pour les rendre sensibles à l'entier du spectre lumineux.» Ces éléments sont ensuite assemblés dans des biomembranes, à l'aide d'autres molécules en forme de bâtonnets, selon une architecture précise.

Lorsqu'il est soumis à la lumière, cet échafaudage est «excité». Autrement dit, l'énergie lumineuse incidente est transmise à un électron de cet ensemble d'atomes. Et c'est là que se magnifie toute l'ingéniosité de l'expérience: «Cette charpente est faite de telle manière que cet électron peut s'y promener aussi librement qu'une mouche dans une cathédrale». Il se produit alors ce que les chercheurs appellent une séparation des charges. Comme une polarisation électrique, similaire à celle d'une pile. Avec d'un côté l'électron en sus, donc une charge négative, et de l'autre, un déficit d'électrons, équivalant à une charge positive.

Mieux: cette polarisation se maintient durant 61 picosecondes, ou 61 millièmes de milliardième de seconde, avant de s'auto-anihiler. Une poussière de temps pour tout un chacun. Mais un intervalle assez long et stable aux yeux des chimistes pour leur permettre d'induire d'autres réactions qui justement font perdurer cette séparation des charges. «Au final, on a gagné de l'énergie», explique Stefan Matile: l'énergie initialement contenue dans la particule de lumière se retrouve «emmagasinée» par le biais de cette polarisation. Et pourrait théoriquement être libérée.

«Pour la première fois, nous avons pu montrer qu'une fonction de photosynthèse artificielle pouvait être obtenue grâce à une architecture supramoléculaire facile à générer, et plus seulement grâce à des éléments photosensibles isolés», résume le professeur, qui apprécie tout particulièrement l'aspect créatif de son travail. «Cette étude constitue une étape très importante, commente le professeur Anthony Collings, du centre de recherches CSIRO à Lindfield (Australie) et auteur d'un récent ouvrage sur la photosynthèse artificielle. En effet, l'un des écueils principaux consistait à éviter que les charges séparées ne se recombinent trop rapidement. C'est cette contrainte que ces chimistes suisses ont réussi, comme les plantes depuis la nuit des temps, à maîtriser dans leur photosystème.»

Toutefois, Stefan Matile ne parle pas encore d'applications concrètes: «Ce n'est encore que de la recherche fondamentale.» L'idée suivante est de trouver des stratégies pour relier cette structure à une surface conductrice, et créer des systèmes photovoltaïques plus pratiques. En comparaison avec les panneaux solaires actuels, cette technologie de biomimétisme met en scène des éléments moléculaires bon marché, légers, et peu nuisibles à l'environnement.

«Il y a de grands espoirs liés à ce domaine très prolixe, conclut le professeur. Notamment aux Etats-Unis, où récemment les budgets de recherche autour des énergies renouvelables ont été fortement augmentés.» Quant à l'Europe, elle n'est pas en reste, puisqu'elle a aussi lancé Solar-H, un projet visant à produire de l'hydrogène par photosynthèse artificielle.

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